Anclajes empotrados en alta mar

Las anclas empotradas en alta mar son anclas diseñadas para su uso en alta mar que obtienen su capacidad de sujeción de la resistencia por fricción o apoyo del suelo circundante, a diferencia de las anclas de gravedad, cuya capacidad de sujeción depende principalmente de su peso. A medida que los proyectos en alta mar se adentran en aguas más profundas, las estructuras basadas en la gravedad resultan menos económicas debido a su gran tamaño y al consiguiente coste de transporte.

Cada uno de los distintos tipos de anclajes empotrados presenta sus propias ventajas para el amarre de estructuras marinas. La elección de la solución de anclaje depende de múltiples factores, como el tipo de instalación marina que requiere amarre, su ubicación, su viabilidad económica, su vida útil, las condiciones del suelo y los recursos disponibles.

Algunos ejemplos de instalaciones que pueden necesitar amarre en alta mar son las unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga (FPSO), las unidades móviles de perforación en alta mar , las plataformas de producción de petróleo en alta mar , los convertidores de energía undimotriz y otras energías renovables , y las instalaciones flotantes de gas natural licuado .

Las anclas de arrastre (DEA) obtienen su capacidad de sujeción al estar enterradas o incrustadas profundamente en el lecho marino, y su capacidad de anclaje está directamente relacionada con la profundidad de incrustación. Las DEA se instalan mediante arrastre, utilizando una cadena o cable de amarre, lo que, al ser un método de instalación relativamente sencillo, las convierte en una opción rentable para el anclaje de estructuras marinas. Las DEA se utilizan comúnmente para el amarre temporal de estructuras de petróleo y gas en alta mar , por ejemplo, plataformas móviles de perforación . Su uso exclusivo en situaciones de amarre temporal se debe en gran medida a la incertidumbre relacionada con la trayectoria de incrustación del ancla y su ubicación en el suelo, lo que genera incertidumbre con respecto a su capacidad de sujeción. ^{[ 2 ]}

En condiciones ideales, las DEA son uno de los tipos de anclas más eficientes, con capacidades de sujeción que van desde 33 hasta más de 50 veces su peso; ^{[ 3 ]} y dicha eficiencia les confiere una ventaja inherente sobre otras soluciones de anclaje como cajones y pilotes, ya que la masa de una DEA se concentra en las profundidades del lecho marino, donde la resistencia del suelo y, por lo tanto, la capacidad de sujeción, es mayor. ^{[ 2 ]} La eficiencia del ancla se define como la relación entre la capacidad de sujeción máxima y el peso en seco del ancla, y las DEA suelen presentar índices de eficiencia significativamente mayores en comparación con otras soluciones de anclaje.

Una configuración catenaria consiste en líneas de amarre flojas que forman una catenaria bajo su propio peso. Dado que las líneas de amarre catenarias se extienden planas a lo largo del lecho marino, ejercen únicamente fuerzas horizontales sobre sus anclas. Las líneas de amarre tensas, que llegan en ángulo con respecto al lecho marino, ejercen fuerzas tanto horizontales como verticales sobre sus anclas. ^{[ 1 ]} Dado que las anclas DEA están diseñadas para resistir únicamente fuerzas horizontales, estas anclas solo deben utilizarse en una configuración de amarre catenario. Aplicar una carga vertical significativa a una ancla DEA provocará su fallo, ya que la fuerza vertical aplicada al cáncamo dará lugar a la recuperación del ancla. Sin embargo, esto facilita la recuperación del ancla, lo que contribuye a la rentabilidad de esta solución de anclaje.

Diseño

Los tres componentes principales de un DEA son la aleta, el vástago y el ojo de pata. Para un DEA, el ángulo entre la aleta y el vástago se fija en aproximadamente 30 grados para arcillas y arenas rígidas, y en 50 grados para arcillas blandas. ^{[ 1 ]}

Platija

La aleta de un ancla de placa es una placa de apoyo que proporciona la mayor parte de la capacidad de sujeción del ancla a su profundidad máxima de empotramiento. Además de contribuir a la capacidad del ancla, la aleta puede contribuir a su estabilidad durante el empotramiento. Adoptar una aleta más ancha puede ayudar a proporcionar estabilidad de balanceo, lo que permite un empotramiento más profundo y una mejor capacidad de sujeción. ^{[ 4 ]} Existen directrices de la industria relativas al ancho, la longitud y el espesor adecuados de las aletas de los anclas, donde el ancho se refiere a la dimensión perpendicular a la dirección de empotramiento. Las anclas comerciales suelen tener una relación ancho-longitud de la aleta de 2:1 y una relación longitud-espesor de la aleta de entre 5 y 30. ^{[ 4 ]}

Caña

Dado que la resistencia de los anclajes DEA depende de su profundidad de empotramiento, el vástago debe diseñarse de manera que se minimice la resistencia del suelo perpendicular a la trayectoria de empotramiento del anclaje.

Sin embargo, la resistencia por fricción del suelo contra la componente paralela del vástago es menos significativa. Por lo tanto, el área del vástago alineada con la dirección de la trayectoria de empotramiento suele ser relativamente grande para proporcionar estabilidad al anclaje contra el balanceo durante el empotramiento.

Ojo de Padeye

El cáncamo es la conexión entre el ancla y la línea de amarre. La excentricidad del cáncamo, a menudo medida como la relación de desplazamiento del cáncamo, es la relación entre la distancia horizontal y vertical de la posición del cáncamo en relación con la conexión entre la aleta y el vástago del ancla. La evaluación de la excentricidad óptima del cáncamo para anclas DEA y anclas de carga vertical (VLA) se limita a la elección apropiada de la longitud del vástago dado un ángulo fijo entre la aleta y el vástago durante el empotramiento. Un estudio realizado para investigar las longitudes apropiadas del vástago consideró un rango de relaciones longitud del vástago/longitud de la aleta entre 1 y 2. ^{[ 5 ]} Se determinó que las longitudes de vástago más cortas (más cercanas a relaciones de 1) producían un empotramiento más profundo del ancla. ^{[ 5 ]}

Línea de amarre

Aunque la línea de amarre no es un componente exclusivo del ancla DEA, su diseño influye significativamente en su comportamiento. Una línea de amarre más gruesa ofrece mayor resistencia al enterramiento del ancla. Se han investigado las propiedades de las líneas de amarre de cadena frente a las de cable, observándose que las líneas de amarre de cadena reducen la capacidad del ancla hasta en un 70 %. ^{[ 6 ]} Por lo tanto, cuando sea apropiado y rentable, se deben utilizar líneas de amarre de cable. La sección enterrada de una línea de amarre contribuye a la capacidad de sujeción del ancla frente al movimiento horizontal. Por consiguiente, es pertinente analizar la contribución de la línea de amarre del ancla tanto al proceso de enterramiento como a su capacidad de sujeción final.

Las anclas de carga vertical (VLA) son esencialmente anclas dieléctricas de empuje (DEA) que pueden girar libremente alrededor de la conexión entre la aleta y el vástago, lo que permite que el ancla soporte cargas tanto verticales como horizontales y, por lo tanto, a diferencia de las DEA, las líneas de amarre pueden estar en una configuración catenaria o de amarre tenso. Las VLA se entierran como las DEA, a lo largo de una longitud de arrastre específica. Como resultado, gran parte de las consideraciones de diseño requeridas para las DEA son aplicables a las VLA. Después de la inserción de la longitud de arrastre, la aleta se "libera" y se le permite girar libremente alrededor de su conexión con el vástago. Esta nueva configuración del ancla hace que la carga de la línea de amarre sea esencialmente normal a la aleta de la VLA. ^{[ 2 ]}

Los cajones de succión (también conocidos como cubos de succión, pilotes de succión o anclajes de succión) son una nueva clase de anclajes empotrados que presentan varias ventajas económicas sobre otros métodos. Son esencialmente cubos invertidos que se incrustan en el suelo y utilizan la succión, bombeando el agua para crear un vacío, para anclar instalaciones flotantes en alta mar. Presentan una serie de beneficios económicos, incluyendo una instalación y remoción rápidas durante el desmantelamiento, así como una reducción en los costos de material. ^{[ 7 ]} El cajón consiste en un cilindro de gran diámetro (típicamente en el rango de 3 a 8 metros (10 a 26 pies) ), abierto en la parte inferior y cerrado en la superior, con una relación longitud-diámetro en el rango de 3 a 6. ^{[ 8 ]} Esta solución de anclaje se utiliza ampliamente en grandes estructuras marinas, plataformas de perforación y alojamiento en alta mar. Debido al aumento de la demanda de energía renovable, estos anclajes se utilizan ahora para turbinas eólicas marinas, generalmente en una configuración de trípode. 

En 1997, se introdujo el anclaje de placa embebido por succión (SEPLA) como una combinación de dos conceptos de anclaje probados —pilotes de succión y anclajes de placa— para aumentar la eficiencia y reducir los costos. ^{[ 10 ]}

Actualmente, los anclajes SEPLA se utilizan en el Golfo de México , frente a la costa de África Occidental y en muchos otros lugares. El sistema SEPLA utiliza un seguidor de succión , un cajón abierto inicialmente lleno de agua, para incrustar un anclaje de placa en el suelo. El seguidor de succión se baja hasta el lecho marino, donde comienza a penetrar por su propio peso. A continuación, se bombea agua desde el interior del cajón para crear un vacío que empuja el anclaje de placa hasta la profundidad deseada (Paso 1). Posteriormente, se desengancha la línea de amarre del cajón, que se recupera al introducir agua a presión en su interior, lo que provoca que se mueva hacia arriba mientras el anclaje de placa permanece incrustado (Paso 2). Finalmente, se aplica tensión a la línea de amarre (Paso 3), lo que provoca que el anclaje de placa gire (un proceso también conocido como "enganche") hasta quedar perpendicular a la dirección de la carga (Paso 4). ^{[ 9 ]} Esto se hace para que la superficie máxima esté orientada en la dirección de la carga, maximizando así la resistencia del anclaje.

Dado que se utiliza un seguidor de cajón de succión, los anclajes SEPLA se clasifican como anclajes de empotramiento directo; por lo tanto, se conocen la ubicación y la profundidad del anclaje. Gracias a su eficiencia geotécnica, los anclajes de placa SEPLA son significativamente más pequeños y ligeros que los anclajes de succión equivalentes, lo que reduce los costos.

El aumento del coste de instalación de anclas en aguas profundas ha propiciado el desarrollo de anclas de penetración dinámica que se incrustan en el lecho marino por caída libre . Estas anclas suelen consistir en un eje tubular de acero de paredes gruesas, relleno de chatarra o hormigón y provisto de una punta cónica. A menudo se añaden aletas de acero al eje para mejorar su estabilidad hidrodinámica y proporcionar resistencia adicional a la fricción contra el levantamiento tras la instalación. ^{[ 1 ]}

La principal ventaja de los anclajes de instalación dinámica es que su uso no está restringido por la profundidad del agua. Los costos se reducen, ya que no se requiere interacción mecánica adicional durante la instalación. El diseño simple del anclaje mantiene los costos de fabricación y manipulación al mínimo. Además, la capacidad de sujeción final de los anclajes dinámicos depende menos de la evaluación geotécnica del lugar, ya que las resistencias al corte más bajas permiten una mayor penetración, lo que aumenta la capacidad de sujeción. ^{[ 11 ]} A pesar de estas ventajas, la principal desventaja de este tipo de anclaje es el grado de incertidumbre en la predicción de la profundidad y orientación de empotramiento y la consiguiente incertidumbre en la capacidad de sujeción.

Diseño

Desde su primer desarrollo comercial en la década de 1990, se han diseñado diversas formas de anclas de instalación dinámica. El ancla de penetración profunda (DPA) y el ancla tipo torpedo se han adoptado ampliamente en aguas costeras de Sudamérica y Noruega . ^{[ 11 ]} Sus diseños se muestran en la figura junto con otras dos formas de anclas de instalación dinámica: el Omni-Max y el ancla de placa integrada dinámicamente (DEPLA).

Las anclas de penetración profunda y las anclas tipo torpedo están diseñadas para alcanzar velocidades máximas de 25 a 35 metros por segundo (82 a 115 pies/s) en el lecho marino, lo que permite una penetración de la punta de dos a tres veces la longitud del ancla y capacidades de sujeción en el rango de tres a seis veces el peso del ancla después de la consolidación del suelo . ^{[ 1 ]} 

El ancla de placa de incrustación dinámica (DEPLA) es un ancla de incrustación directa y carga vertical que consiste en una placa incrustada en el lecho marino mediante la energía cinética obtenida por caída libre en el agua. Este nuevo concepto de ancla se ha desarrollado recientemente, pero ya se ha probado tanto en laboratorio como en campo. Los diferentes componentes del DEPLA se pueden observar en el diagrama etiquetado de la figura.

El ancla Omni-Max que se muestra en la imagen es un ancla de instalación por gravedad que puede soportar cargas en cualquier dirección gracias a su función giratoria de 360 ​​grados. ^{[ 12 ]} El ancla está fabricada con acero de alta resistencia y posee aletas de cola ajustables que se pueden adaptar a condiciones específicas del suelo. ^{[ 12 ]}

Embedded anchor piles (driven or drilled) are required for situations where a large holding capacity is required. The design of anchor piles allows for three types of mooring configurations—vertical tethers, catenary moorings, and semi-taut/taut moorings—which are used for the mooring of offshore structures such as offshore wind turbines, floating production storage and offloading (FPSO) vessels, floating liquefied natural gas (FLNG) facilities, etc. An industrial example is the Ursa tension-leg platform (TLP) which has been held on-station by 16 anchor piles, each of which is 147 metres (482 ft) long, 2.4 metres (7 ft 10 in) in diameter, and weighs 380 tonnes (370 long tons; 420 short tons).^[1]

Design

Los pilotes de anclaje son tubos huecos de acero que se hincan o se insertan en un orificio perforado en el lecho marino y luego se rellenan con lechada, de forma similar a las cimentaciones sobre pilotes que se utilizan habitualmente en estructuras fijas marinas . La figura muestra los diferentes métodos de instalación: en el método de hincado, el tubo de acero se introduce mecánicamente mediante un martillo, mientras que en el método de perforación, un pilote prefabricado se inserta en un orificio de mayor diámetro construido con una perforadora rotativa y luego se rellena con cemento. La elección de un método u otro depende de las propiedades geofísicas y geotécnicas del lecho marino.

Los pilotes de anclaje suelen diseñarse para resistir cargas tanto horizontales como verticales. La capacidad de sujeción axial del pilote se debe a la fricción en la interfaz pilote-suelo, mientras que la capacidad lateral se genera por la resistencia lateral del suelo, donde la orientación del anclaje es fundamental para optimizar dicha resistencia. Por consiguiente, la ubicación del cáncamo se sitúa de forma que la fuerza generada por la catenaria o el amarre tensado produzca un equilibrio de momentos alrededor del punto de rotación, para lograr la resistencia lateral óptima del suelo. ^{[ 1 ]}

• Ancla – Dispositivo utilizado para asegurar una embarcación al fondo marino. 
• Construcción marítima : edificación de estructuras en grandes masas de agua o en sus inmediaciones. 
• Construcción en alta mar : Instalación de estructuras e instalaciones en un entorno marino.